隨著油氣田開發的深入,為提高油田采收率、降低采油成本,各油田在注水開發中配套實施了二氧化碳驅采油工藝。柳北(bei)區塊(kuai)是冀東油(you)田二(er)氧化碳驅的先導試驗區塊(kuai),2011年下(xia)(xia)半年開始實施二(er)氧化碳驅,該區塊(kuai)油(you)藏溫度為93～116℃,油(you)藏壓力約為30MPa,CO2體積分數為0.11%～99%,CO2分壓為0.001～13.29MPa。2012年至(zhi)今,因腐蝕嚴(yan)重而檢泵的油(you)井逐年增多,大部(bu)分油(you)管(guan)(guan)甚(shen)至(zhi)由(you)于腐蝕而報廢,井下(xia)(xia)油(you)套管(guan)(guan)存(cun)在嚴(yan)重的腐蝕問(wen)題。本(ben)工(gong)作采(cai)用(yong)常用(yong)油(you)套(tao)管材(cai)料和現場采(cai)出液進行了(le)高溫高壓(ya)腐蝕(shi)試驗,研究了(le)油(you)套(tao)管鋼的腐蝕(shi)類型(xing)和腐蝕(shi)程度,以期為井下油(you)套(tao)管的選材(cai)和設計提供依(yi)據。

試驗

1.試樣與溶液

試驗材料(liao)采用油田現場常用4種油套(tao)管鋼,其(qi)化學成分見表1。

表1試驗材料的化(hua)學成(cheng)分(fen)

試(shi)驗溶液為油井現場采(cai)出液,含水率為90%(質量分(fen)數,下同),其主要離子含量如下:

Na++K+670Mg/L,Mg2+11Mg/L,Ca2+19Mg/L,CL-488Mg/L,SO42-10Mg/L,HCO3-1035Mg/L。

將(jiang)N80、P110、3Cr和(he)5Cr鋼等4種管材(cai)沿縱向(xiang)切取(qu),制成尺(chi)寸為50mm×10mm×3mm的(de)試樣(yang)。試驗前,將(jiang)試樣(yang)先用濾紙(zhi)(zhi)擦凈,然后(hou)放入(ru)盛有丙酮的(de)器皿中(zhong),用脫(tuo)(tuo)脂(zhi)棉除(chu)去(qu)試樣(yang)表面油脂(zhi)后(hou),再(zai)放入(ru)無水乙醇中(zhong)浸泡約5min,進一步脫(tuo)(tuo)脂(zhi)和(he)脫(tuo)(tuo)水。取(qu)出試樣(yang)放在濾紙(zhi)(zhi)上(shang),用冷風(feng)吹(chui)干后(hou)再(zai)用濾紙(zhi)(zhi)包好,貯于干燥(zao)器中(zhong),放置1h后(hou)再(zai)測量其(qi)尺(chi)寸和(he)質量,精(jing)確至0.1Mg。

2.試驗方法

將處(chu)理后的試樣裝在(zai)聚四氟乙(yi)烯材質的夾具上。向高(gao)溫(wen)高(gao)壓(ya)釜(fu)中(zhong)加入試驗溶液(ye),再將試樣安裝在(zai)高(gao)壓(ya)釜(fu)中(zhong)指定(ding)位置,使(shi)其(qi)完全(quan)浸沒在(zai)溶液(ye)中(zhong)。密(mi)閉高(gao)溫(wen)高(gao)壓(ya)釜(fu),采用高(gao)純氮氣除(chu)氧2h,升溫(wen)至目標(biao)溫(wen)度(40,60,80,90,100,110℃)。通(tong)入CO2氣體至預定(ding)壓(ya)力,調(diao)節轉速(su)使(shi)試片(pian)線速(su)率達到0.2m/s,腐蝕時間為168h。

試驗(yan)結束后:部(bu)分試樣用清(qing)水沖洗(xi)掉試驗(yan)介質(zhi)并用濾紙(zhi)吸干后,采用掃描電子顯(xian)微(wei)鏡(SEM)、能譜(pu)儀(EDS)和X射線衍射(XRD)等手(shou)段對(dui)試樣表面腐(fu)蝕形貌及腐(fu)蝕產物成分進行(xing)觀察分析。

部分試樣置于酸清洗液中(zhong)浸(jin)泡5min,同(tong)時用尼龍刷涮洗試片(pian)表(biao)面(mian)腐(fu)蝕產物(wu),用清水沖(chong)去表(biao)面(mian)殘酸后放(fang)入無水乙醇中(zhong)浸(jin)泡約5min,清洗脫水后用冷風(feng)吹(chui)干,然后用濾(lv)紙將試片(pian)包好貯于干燥器中(zhong),放(fang)置1h后稱量并測量尺寸,用失重法計算平均腐(fu)蝕速(su)率。

結果與討論

1.腐蝕速率計算

圖(tu)1不同溫(wen)度下,試(shi)(shi)樣在(zai)(zai)CO2分壓(ya)為8MPa的(de)(de)試(shi)(shi)驗溶液(ye)中經過168h腐蝕(shi)試(shi)(shi)驗后的(de)(de)腐蝕(shi)速(su)率(lv)由圖(tu)1可見:隨著溫(wen)度的(de)(de)增加,N80、P110、3Cr、5Cr等4種(zhong)材(cai)料(liao)的(de)(de)腐蝕(shi)速(su)率(lv)均呈現(xian)出先增加后減(jian)小的(de)(de)趨勢,最(zui)大(da)(da)值出現(xian)在(zai)(zai)中溫(wen)區,N80、P110、5Cr等3種(zhong)材(cai)料(liao)在(zai)(zai)90℃時腐蝕(shi)速(su)率(lv)達到(dao)最(zui)大(da)(da),3Cr鋼(gang)在(zai)(zai)80℃時腐蝕(shi)速(su)率(lv)最(zui)大(da)(da)。

2.腐蝕產物分析

圖2 4種試樣在80℃試驗溶(rong)液中腐(fu)蝕(shi)168h后(hou),表面腐(fu)蝕(shi)產物膜SEM形(xing)貌

由圖2可(ke)見:經80℃試(shi)驗溶液(ye)中腐(fu)蝕(shi)168h后,N80、P110試(shi)樣(yang)表(biao)面生(sheng)成了(le)致密的結晶(jing)狀FeCO3,完(wan)(wan)全(quan)覆(fu)蓋在基體(ti)(ti)表(biao)面;3Cr試(shi)樣(yang)發生(sheng)明顯的臺地腐(fu)蝕(shi),表(biao)面最外(wai)層腐(fu)蝕(shi)產物非常厚重,且有明顯的脫(tuo)落,脫(tuo)落處可(ke)發現(xian)不完(wan)(wan)全(quan)覆(fu)蓋基體(ti)(ti)的晶(jing)態的FeCO3,FeCO3下的內(nei)層腐(fu)蝕(shi)產物膜由于(yu)脫(tuo)水出現(xian)了(le)龜裂現(xian)象(xiang);5Cr試(shi)樣(yang)腐(fu)蝕(shi)產物覆(fu)蓋不均勻,且有破損,暴(bao)露(lu)出的內(nei)層產物膜有龜裂現(xian)象(xiang)。

圖3 4種試樣(yang)在90℃試驗溶(rong)液中腐蝕168h后的表面(mian)腐蝕產(chan)物膜SEM形貌

由(you)圖3可見:4種試樣在(zai)90℃試驗溶液中腐(fu)蝕168h后,表(biao)面(mian)均(jun)形(xing)成了結(jie)晶狀的(de)FeCO3,只是(shi)Fe-CO3的(de)分布及形(xing)態有所相(xiang)同。N80和P110試樣表(biao)面(mian)生(sheng)成了完整、細小、致密的(de)結(jie)晶狀腐(fu)蝕產物,均(jun)勻地覆蓋在(zai)基體表(biao)面(mian),未發現破損脫落,此時N80、P1102種試樣的(de)腐(fu)蝕速(su)率相(xiang)對較低;3Cr、5Cr試樣表(biao)面(mian)腐(fu)蝕產物分布不(bu)均(jun)勻,存在(zai)空隙。

圖4 4種試樣在100℃試驗(yan)溶液中腐蝕168h后的表(biao)面腐蝕產物膜SEM形(xing)貌

由圖4可(ke)見:在100℃試驗溶液中腐蝕168h后,N80試樣(yang)(yang)腐蝕產(chan)物(wu)分布(bu)不(bu)均勻,裸(luo)露(lu)出基(ji)體,P110試樣(yang)(yang)腐蝕產(chan)物(wu)基(ji)本(ben)均勻覆蓋基(ji)體表面,3Cr、5Cr試樣(yang)(yang)腐蝕產(chan)物(wu)出現晶粒堆垛(duo)現象,晶粒大小(xiao)不(bu)規則(ze)。

圖5 4種試樣在(zai)110℃試驗(yan)溶液中腐蝕168H后(hou)的表面腐蝕產(chan)物膜(mo)SEM形貌

由圖5可知:110℃時(shi)(shi),4種(zhong)試(shi)樣(yang)表面腐蝕(shi)產(chan)物晶粒大小(xiao)不規則、分布(bu)不均勻,較100℃時(shi)(shi)更加明顯,3Cr、5Cr試(shi)樣(yang)也有(you)明顯的(de)晶粒堆垛現象。

3.綜合分析

綜合圖3～5可知:隨著(zhu)溫(wen)度(du)的(de)(de)升(sheng)高(gao)(40～80℃)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)產物(wu)膜逐(zhu)漸生成(cheng)、致(zhi)密,對于(yu)3Cr來說,在(zai)(zai)80℃時外層腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)產物(wu)膜脫落最嚴重,而對于(yu)N80、P110和5Cr3種材料(liao)來說,溫(wen)度(du)達(da)到(dao)(dao)90℃以(yi)上后,晶(jing)形變(bian)得越(yue)來越(yue)不規則,這主要是(shi)由(you)(you)于(yu)FeCO3的(de)(de)溶(rong)解(jie)度(du)具有負的(de)(de)溫(wen)度(du)效應和其(qi)分解(jie)作用引起的(de)(de)。隨著(zhu)溫(wen)度(du)的(de)(de)增加(jia),鋼(gang)鐵表面逐(zhu)漸形成(cheng)保護膜,并由(you)(you)疏松(song)到(dao)(dao)致(zhi)密,從而在(zai)(zai)一(yi)定的(de)(de)溫(wen)度(du)范圍內有一(yi)個腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)速率過渡(du)區,出現一(yi)個腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)速率極(ji)大值(zhi)。溫(wen)度(du)達(da)到(dao)(dao)110℃以(yi)上,由(you)(you)于(yu)保護膜的(de)(de)生成(cheng)和加(jia)固,使(shi)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)速率下(xia)降(jiang)。

在本(ben)試驗(yan)條件下,雖然在3Cr、5Cr試樣表面的腐(fu)(fu)蝕產(chan)物膜內(nei)出現了(le)Cr富集,一(yi)定程度上(shang)提高了(le)腐(fu)(fu)蝕產(chan)物膜的穩定性(xing),但是與碳鋼相(xiang)比(bi),3Cr、5Cr試樣表面腐(fu)(fu)蝕產(chan)物覆蓋不(bu)均勻、疏(shu)松,含(han)Cr的腐(fu)(fu)蝕產(chan)物膜與基(ji)體(ti)結合力弱、附(fu)著性(xing)不(bu)強,易脫(tuo)落,因此整體(ti)上(shang)呈現較高的腐(fu)(fu)蝕速(su)率。

在低溫(40℃、60℃時)條(tiao)件下,3Cr、5Cr試樣(yang)表面腐(fu)蝕(shi)產物(wu)膜完整,未脫落,腐(fu)蝕(shi)速(su)率較(jiao)低,與(yu)已(yi)有的研究結(jie)果一致,低Cr鋼(gang)具(ju)有良好的抗CO2均勻腐(fu)蝕(shi)及局部腐(fu)蝕(shi)性(xing)能,但目前低Cr鋼(gang)使(shi)用溫度有待進一步提高。

結論

(1)隨著(zhu)溫度的增加,N80、P110、3Cr、5Cr等4種(zhong)材(cai)料的腐(fu)蝕(shi)速率均呈現出(chu)先增加后減小的趨勢,最大(da)值(zhi)出(chu)現在(zai)(zai)中(zhong)溫區,N80、P110、5Cr等3種(zhong)材(cai)料在(zai)(zai)90℃時(shi)腐(fu)蝕(shi)速率達到最大(da),3Cr鋼在(zai)(zai)80℃時(shi)腐(fu)蝕(shi)速率最大(da)。

(2)在(zai)試(shi)驗條件(jian)下,4種鋼(gang)材腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)類型主要(yao)(yao)為(wei)均(jun)(jun)勻腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi),未(wei)發現(xian)(xian)局部腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi),腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)產(chan)(chan)(chan)物主要(yao)(yao)為(wei)Fe-CO3,含Cr鋼(gang)腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)產(chan)(chan)(chan)物出(chu)現(xian)(xian)多層結構(gou),主要(yao)(yao)成(cheng)分除(chu)了(le)FeCO3,還有非晶態Cr(OH)3。N80、P110腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)產(chan)(chan)(chan)物為(wei)結晶狀的(de)FeCO3,細(xi)小致(zhi)密,均(jun)(jun)勻地覆蓋在(zai)基體表面,腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)速率(lv)較低,3Cr、5Cr鋼(gang)的(de)腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)產(chan)(chan)(chan)物覆蓋不(bu)均(jun)(jun)勻、與(yu)基體結合力弱、附著性(xing)不(bu)強(qiang),易脫落,造成(cheng)整(zheng)體腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)速率(lv)較高。

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